一种有源非接触电容式生物电信号传感器及其应用的制作方法

一种有源非接触电容式生物电信号传感器及其应用的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种有源非接触电容式生物电信号传感器，其特征在于，电极采用电容耦合的方式引入生物电信号，经过前置放大器、屏蔽层、高通滤波器送于后级系统，所述后级系统为后级缓冲器，经过后级缓冲器后输出，所述电容耦合的电信号为利用皮肤与电极极板形成的电容，耦合引入生物体通过皮肤传导出的电信号。本实用新型的优点如下，1）整体结构设计巧妙、电路的抗干扰能力强；2）本技术方案满足了高输入阻抗、高共模抑制比、低噪声与低漂移以及安全可靠这四个基本要求；3）非接触电容式电极不需要接触生物体表面便可以采集到生物电信号，适合对敏感性皮肤的或有特殊病状的使用者使用。
【专利说明】一种有源非接触电容式生物电信号传感器及其应用

【技术领域】
[0001]本发明涉及生物电信号传感器，具体地说是一种有源非接触电容式生物电信号传感器及其应用，属于辅助医疗设备【技术领域】。

【背景技术】
[0002]随着科学技术的发展和人们物质生活水平的提高，生物电信号测量技术在医疗电子研究领域以及日常便携式应用领域得到快速的发展。在生物信号测量中，电极是第一个非常重要元素，因为其担负着把人体中依靠离子传导的生物电信号转换为测量电路中依靠电子传导的电信号的作用。在临床医疗中，使用最多的是湿电极。在实验室或科研机构，研究与讨论最多的是有源或无源的干电极和非接触式电极。
[0003]传统的电极一般是针对临床条件下或者使用者静止的情况下设计的。而生物电信号的应用往往是处在人体运动状态下或者恶劣的电磁环境下，因此，电极电路应该具备抗干扰、噪声低、功耗较低、电源稳定等特点。针对这些要求，电极电路以后的研究主要攻破以下三个难题:(1)电路的抗干扰能力；(2)可靠、稳定并且低功耗的电池供电方案；(3)能够方便地与后级数字电路相结合。
[0004]Ag/AgCl湿电极可以采集到幅度正常、各项特征明显的生物电势信号，在临床医疗经常使用的便是此种电极。而在使用时需要去除皮肤角质层并且添加额外的导电膏和固定胶带才能得到较好的信号，这样既不方便也不舒适从而限制了生物电的应用范围。干电极和非接触式电极可以免去涂导电膏的麻烦，采集到的信号特征比较明显，但容易受外界干扰，信号幅度也稍有衰减。
[0005]干电极用的大多是微针电极和指状电极，都不需要在使用前在皮肤表面涂抹导电膏，采集到的生物信号比较乐观，微针电极的主要缺点是它的侵入式的使用方式容易引起皮肤感染，指状电极的主要缺点是使用是对皮肤的压迫感会让使用者极不舒适。因此，迫切的需要一种新的技术方案解决上述技术问题。


【发明内容】

[0006]本发明正是针对现有技术中存在的技术问题，提供一种有源非接触电容式生物电信号传感器，本发明所设计的非接触电容式电极不接触生物体皮肤表面便可以采集出生物体电信号，避免了上述两种电极的缺点。该装置整体结构设计巧妙，电路的抗干扰能力，信号可靠、稳定。
[0007]为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下，一种有源非接触电容式生物电信号传感器，其特征在于，电极采用电容耦合的方式引入生物电信号，经过前置放大器、屏蔽层、高通滤波器送于后级系统，所述后级系统为后级缓冲器，经过后级缓冲器后输出，所述电容耦合的电信号为利用皮肤与电极极板形成的电容，耦合引入生物体通过皮肤传导出的电信号。本技术方案中前置放大器具有低噪声、低漂移等特性，然后经过高通滤波器，高通滤波器滤除低频干扰，减少在测量过程中的人为误差，也可以减少基线的偏移；最后信号经过后级缓冲器，缓冲器的作用是使得输出信号拥有足够大的驱动电流。
[0008]本技术方案中采用的是信号耦合方式，非接触式电容式电极通过电极表面覆铜圆片与皮肤表面形成的电容耦合引入生物体电势信号。现有技术中的湿电极和干电极需要直接接触皮肤才能达到预期的效果，而本技术方案中非接触式电容型传感器即使皮肤与电极有间隔仍能采集到生物体电势信号。在使用传感器时，允许一些绝缘物质充当电容介质，例如头发，衣服或者空气，而不需要特殊的电解质。非接触式电极可以等效为通过一个很小的电容，大约1pF f禹合信号。
[0009]作为本发明的一种改进，所述屏蔽层为在电极的印刷电路板的电路层和电极圆片中间铺设一层屏蔽层。可以有效的阻止源信号和处理后的信号产生互相干扰。
[0010]作为本发明的一种改进，所述高通滤波器设置为一阶RC滤波电路，截止频率为0.65 Hz -0.75Hz。高通滤波器的截止频率在0.7Hz左右，滤除低频干扰，减少在测量过程中的人为误差，也可以减少基线的偏移。
[0011]作为本发明的一种改进，所述一阶RC滤波电路中电容C为220nF，电阻R为IM Ω。可以减少在测量过程中的人为误差，也可以减少基线的偏移。
[0012]作为本发明的一种改进，所述前置放大电路采用高共模抑制比和高输入阻抗的精密放大器LMP7702。为了不让干扰信号将放大器饱和，放大器在低增益状态下应用。因此，把前级放大器设置为一个缓冲器。为了获取高信噪比的输出信号，对放大器的低噪声性能有很高的要求，该精密放大器LMP7702能够抑制外界干扰使其减弱到和放大器的固有噪声为同一数量级。
[0013]作为本发明的一种改进，所述高通滤波器的截止频率为0.7Hz。高通滤波器的截止频率为0.7Hz，可以最大限度的滤除低频干扰，减少在测量过程中的人为误差，也可以减少基线的偏移。
[0014]一种有源非接触电容式生物电信号传感器的应用，其特征在于，非接触式电容式电极通过电极表面覆铜圆片与皮肤表面形成的电容耦合引入生物体电势信号，皮肤与电极之间设置有绝缘层。该传感器在使用过程中不会直接接触到皮肤，允许一些绝缘物质充电电容介质，例如头发、衣服、空气而不需要特殊的电解质，非接触电极可以等效为通过一个比较小的电容，大约为1pF耦合信号。该技术方案所述的传感器不需要额外的导电膏、固定胶带，由于不和皮肤接触，更不会引起皮肤感染，因此，该传感器在应用中非常方面、舒适，信号稳定，不容易受外界干扰，并且应用范围更加广泛，针对一些特殊人群，例如过敏患者都可以使用。
[0015]相对于现有技术，本发明的优点如下，I)整体结构设计巧妙、电路的抗干扰能力强；2)该技术方案中电极印刷电路板三层分布结构，即电极印刷电路板的电路层和电极圆片中间铺设一层屏蔽层，电极圆片层的作用是与皮肤表面形成极板电容耦合输入生物电信号，然后经过屏蔽层到达电路层，电路层用来铺设前置放大器电路和高通滤波器电路，屏蔽层铺设在电极圆片层和电路层的目的是屏蔽这两层之间的信号干扰，屏蔽层与电极圆片层形成的极板电容也可以有反馈的作用；3)本技术方案满足了高输入阻抗、高共模抑制比、低噪声与低漂移以及安全可靠这四个基本要求；4)非接触电容式电极不需要接触生物体表面便可以采集到生物电信号，适合对敏感性皮肤的或有特殊病状的使用者使用。

【专利附图】

【附图说明】
[0016]图1为本发明电极的工作流程图。
[0017]图2为本发明电极印刷电路板各层示意图。
[0018]图3为本发明电极信号耦合示意图。
[0019]图4为本发明电极拓扑图。
[0020]图5为本发明电极电路简图。
[0021]图6为本发明高通滤波器电路。
[0022]图7为本发明电极整体电路图。

【具体实施方式】
[0023]为了加深对本发明的理解和认识，下面结合附图对本发明作进一步描述和介绍。
[0024]实施例1:参见图1、图7，一种有源非接触电容式生物电信号传感器，电极采用电容耦合的方式引入生物电信号，经过前置放大器、屏蔽层、高通滤波器送于后级系统，所述后级系统为后级缓冲器，经过后级缓冲器后输出，所述电容耦合的电信号为利用皮肤与电极极板形成的电容，耦合引入生物体通过皮肤传导出的电信号。本技术方案中前置放大器具有低噪声、低漂移等特性，然后经过高通滤波器，高通滤波器滤除低频干扰，减少在测量过程中的人为误差，也可以减少基线的偏移；最后信号经过后级缓冲器，缓冲器的作用是使得输出信号拥有足够大的驱动电流。本技术方案中采用的是信号耦合方式，非接触式电容式电极通过电极表面覆铜圆片与皮肤表面形成的电容耦合弓丨入生物体电势信号。现有技术中的湿电极和干电极需要直接接触皮肤才能达到预期的效果，而本技术方案中非接触式电容型传感器即使皮肤与电极有间隔仍能采集到生物体电势信号。
[0025]实施例2:参见图3，作为本发明的一种改进，所述屏蔽层为在电极的印刷电路板的电路层和电极圆片中间铺设一层屏蔽层。可以有效的阻止源信号和处理后的信号产生互相干扰。
[0026]实施例3:参见图6、图7，作为本发明的一种改进，所述高通滤波器设置为一阶RC滤波电路，截止频率为0.65 Hz -0.75Hz。优选为0.7 Hz，高通滤波器的截止频率在0.7Hz左右，滤除低频干扰，减少在测量过程中的人为误差，也可以减少基线的偏移。
[0027]实施例4:参见图6、图7，作为本发明的一种改进，所述一阶RC滤波电路中电容C为220nF，电阻R为1ΜΩ。可以减少在测量过程中的人为误差，也可以减少基线的偏移。
[0028]实施例5:参见图7，作为本发明的一种改进，所述前置放大电路采用高共模抑制比和高输入阻抗的精密放大器LMP7702。为了不让干扰信号将放大器饱和，放大器在低增益状态下应用。因此，把前级放大器设置为一个缓冲器。为了获取高信噪比的输出信号，对放大器的低噪声性能有很高的要求；该精密放大器LMP7702能够抑制外界干扰使其减弱到和放大器的固有噪声为同一数量级。
[0029]实施例6:参见图7，一种有源非接触电容式生物电信号传感器的应用，非接触式电容式电极通过电极表面覆铜圆片与皮肤表面形成的电容耦合引入生物体电势信号，皮肤与电极之间设置有绝缘层。该传感器在使用过程中不会直接接触到皮肤，允许一些绝缘物质充电电容介质，例如头发、衣服、空气而不需要特殊的电解质，非接触电极可以等效为通过一个比较小的电容，大约为1pF耦合信号，如图3所示。该技术方案所述的传感器不需要额外的导电膏、固定胶带，由于不和皮肤接触，更不会引起皮肤感染，因此，该传感器在应用中非常方面、舒适，信号稳定，不容易受外界干扰，并且应用范围更加广泛，针对一些特殊人群，例如过敏患者都可以使用。根据非接触式电极的这个特性，设计其电路模型，参见图4，放大器有较大输入阻抗，电路模型相当于放大器输入阻抗串联电极与皮肤之间的阻抗形成分压电路来分的身体信号的电势，设计出的屏蔽层和电极圆片两片极板形成的电容不容忽视，其电路简图见图5。电极印刷电路板的三层结构形成的电路拓扑图如图4所示，其简化电路如图5所示，在图4和图5中的各个参数为:
K是皮肤表面信号源，Ι?ω)是皮肤-电极的稱合导纳，Κ(/ω)是放大器输入导纳，Cs是屏蔽层-电极间电容，牵是放大器增益，14是放大器输出信号。
[0030]则电极的源信号到输出信号的增益为:
「00311 €(?ω) = ^ = Α -_鹽2生￡gH1.化j__(式 1—1)

v (F￡j^}+jw(1-dE,)cpK^^3^rcijV))^
[0032]选择前端放大器第一级做缓冲器，则
[0033]Av= I(式 1-2)
[0034]所以电极的源信号到输出信号的增益变为:
「00351 G(im) = & =式
[0036]相对于幅度仅在微伏特、毫伏特数量级的低频生物电信号而言，低噪声、低漂移是前置放大器的基本要求。生物体皮肤的高阻抗特性就可以带来相当可观的热噪声，输入信号的质量较差。所以，为了获取高信噪比的输出信号，对放大器的低噪声性能有很高的要求。理想前置放大器，能够抑制外界干扰使其减弱到和放大器的固有噪声为同一数量级。因此所述前置放大电路采用高共模抑制比和高输入阻抗的精密放大器LMP7702。为了不让干扰信号将放大器饱和，放大器在低增益状态下应用，把前级放大器设置为一个缓冲器。整个传感器包括前置缓冲器、高通滤波器和后级缓冲器输出，满足了高输入阻抗、高共模抑制比、低噪声与低漂移以及安全可靠这四个基本要求。
[0037]本发明还可以将实施例2、3、4、5所述技术特征中的至少一个与实施例1组合形成新的实施方式。
[0038]需要说明的是上述实施例，并非用来限定本发明的保护范围，在上述技术方案的基础上所作出的等同变换或替代均落入本发明权利要求所保护的范围。
【权利要求】
1.一种有源非接触电容式生物电信号传感器，其特征在于，电极采用电容耦合的方式引入生物电信号，经过前置放大器、屏蔽层、高通滤波器送于后级系统，所述后级系统为后级缓冲器，经过后级缓冲器后输出，所述电容耦合的电信号为利用皮肤与电极极板形成的电容，耦合引入生物体通过皮肤传导出的电信号。
2.根据权利要求1所述的一种有源非接触电容式生物电信号传感器，其特征在于，所述屏蔽层为在电极的印刷电路板的电路层和电极圆片中间铺设一层屏蔽层。
3.根据权利要求1或2所述的一种有源非接触电容式生物电信号传感器，其特征在于，所述高通滤波器设置为一阶RC滤波电路，截止频率为0.65 Hz -0.75Hz。
4.根据权利要求3所述的一种有源非接触电容式生物电信号传感器，其特征在于，所述一阶RC滤波电路中电容C为220nF，电阻R为1ΜΩ。
5.根据权利要求1或2所述的一种有源非接触电容式生物电信号传感器，其特征在于，所述前置放大电路采用高共模抑制比和高输入阻抗的精密放大器LMP7702。
6.根据权利要求4所述的一种有源非接触电容式生物电信号传感器，其特征在于，所述高通滤波器的截止频率为0.7Hz。
【文档编号】A61B5/04GK203953643SQ201420252432
【公开日】2014年11月26日 申请日期:2014年5月18日 优先权日:2014年5月18日
【发明者】吴正平, 马梅方, 魏欢, 王文星, 贡旭彬, 李卫东 申请人:吴正平, 南京格瑞斯电子科技有限公司